《基于OSG的海洋环境虚拟仿真平台设计与实现-国家海洋局第一海洋.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于OSG的海洋环境虚拟仿真平台设计与实现-国家海洋局第一海洋.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第32卷 第4期 2013年12月 海洋技术 OCEAN TECHNOLOGY Vol. 32，No.4 Dec，2013 基于 OSG的海洋环境虚拟仿真平台设计与实现 蔡夕方 1， 张志远1， 李宪丰1， 苏天赟2 （1.海军海洋水文气象中心， 北京100161；2.国家海洋局第一海洋研究所， 山东青岛266061） 摘要 ： 在分 析当 前数 字 海洋 三维 可 视 化关键 技术 及 发展 的基 础上 ， 深 入研究Open SceneGraph（OSG） 三维 可 视 化引 擎的 仿真 平台 构 建及 渲染 机制 ， 建立 合理 、 高效 的海洋 环境 虚拟仿真和可 视化 模型 ， 建立
2、 基于 OSG的三维球 体可视 化框架 体系 ， 并初步 设计和 实现 了一 个海洋 环境 虚拟仿真平台 。 关键词 ： 海洋 环境 ； OSG； 虚拟仿真 ； 三维球体 可视化 中图分类号： X834 文献标志码： A 文章编号 ： 1003-2029(2013)04-0020-04 收稿日期： 2013-08-10 基金项目 ： 国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2008AA09A404 ， 2013AA09A50b ） 作者简介： 蔡夕方（1966-） ， 男， 硕士，高工，研究方向为海洋水文气象。Email: 海洋对于人类生活具有极其重要的作用，伴随着我国经 济建设的快速
3、发展和国际关系的不断变化，海洋资源管理与 海洋权益维护也日益受到全社会的重视，并促使海洋领域的 信息化建设步伐不断加快。随着防灾减灾 、 海上维权 、 远海护 航、海洋资源利用等活动对精细化海洋环境需求的不断加 深， 日益多样化的海量海洋环境信息仅在原有的二维纸质海 图、 电子海图软件等平台上展示已经不能满足实际业务保障 和生产研究的需要 。传统的二维由于自身的局限已不 能很好地满足海洋信息化快速发展的需求。快速 、 高效的数 据模型， 流畅 、 逼真的三维场景渲染方式，日益成为海洋环境 信息表达的一种趋势。因此，海洋环境虚拟工作对空间信息 三维可视化技术提出了强烈的需求。与其他虚拟现实仿真相
4、 比， 海洋环境虚拟仿真有其独有的难度和挑战，又由于海洋 环境仿真有着重要的现实意义，所以近几年来海洋环境建模 和渲染仿真成为计算机图形学和海洋学方面研究的一个热 点领域 。 海洋环境虚拟仿真的难点主要体现在：首先，海洋环 境是一个多种元素构成的复杂场景，它不仅仅包括水面、 波 浪， 还包括海底地形、 天空等其它各种场景； 其次，海洋环境 分为海面上和海面下两部分，在不同的方向人的视觉感受是 不同的；再次，在海洋场景中， 光是重要的一部分， 虽然在光 学领域中我们对它的研究已经比较深入，但在海洋场景中实 现光照的影响（倒影 、 反射 、 折射等） 还有一定的困难； 除此之 外， 在海洋场景中还
5、要考虑各种特殊场景的模拟仿真，比如 各海洋环境状况 （雨、 雪、 雾天气 、 海浪 、 海流）特效的模拟等 。 自 世纪初以来，空间信息三维可视化一直是业界的 研究热点，美国率先推出了、 、 等 软件， 这些软件为海洋环境数据的表达和共享提供了一个新 的模式 。其中， 三维渲染引擎是为了实现三维场景图形的结 构管理和绘制而提供的一系列的集合，它是三维可视化 软件的核心 。三维渲染引擎可分为低阶引擎和高阶引擎两 种， 低阶引擎目前应用最广泛的有和 两种， 是一系列底层图形操作的接口。因无需关注底层的实现细 节， 所以面向对象的高阶三维渲染引擎是海洋环境可视化系 统的首选 。 高阶引擎是以场景图形
6、为基础实现了几何图形和 动态行为描述的软件体系，包括 、 、 等 。 在分析三维渲染引擎工具 技术特点后，根据海洋 环境信息的三维显示需求， 就海洋环境虚拟仿真平台的设计 与实现问题进行了探讨。构建了基于 的海洋环境信息 交互式管理和应用的海洋环境虚拟仿真平台，为用户提供海 洋环境观探测信息、 海洋环境预警 、 预报信息 、 基础地理信息 等海洋环境数据查询， 三维环境下多时间序列的三维动态变 化展示，水文气象信息三维可视化表达的系统平台。 三维渲染引擎工具 三维渲染引擎工具 是一个开源的场景图形开发管 理工具，它是由一系列与图形学相关的功能模块组成。 为广大用户提供了有序的场景图形管理机制和
7、良好的图形 图像渲染 、 优化支持功能， 可以方便地开发图形图像应用程 序 。 它的底层渲染机制使用的是已 经 成 为 工 业 标 准 的 底层渲染 ，因此 继承了 的绝大部 分优点，可以在各类主流操作系统中使用 。除此之外，基于 的特点， 继续包含了一些针对可视化操作系统 的特定功能的支持代码。 三维渲染引擎工具 包括一系列动态链接库、 插件 、 供开发者使用的静态链接库、 头文件，以及可执行的工具程 序和示例 。按其功能和作用划分， 可分为 部分： （ ） 核心库：提供基本的场景图形和渲染功能，以 及 图形程序所需的某些特定功能实现，具体包含 ， ，等类库 。 （ ）节点扩展工具： 提供核
8、心 场景图形节点类的功 能，以提高高级节点类型和渲染特效。具体包括 ，等类库 。 （ ） 文件读写插件库：包括 图像 、 模型文件 和其它类型文件的读写功能插件，可以任意扩展或删减。 （ ） 内省 ：提供了 与其它开发环境继承的 功能， 例如脚本语言等。 （ ）工具程序和示例集： 提供了实用工具和超过个 有关 使用和功能的例子 。 从图 可以看出， 作为一种场景图形的中间件，构 建于底层 函数之上，对于 来讲是构建于底层渲染 接口 的底层渲染 函数之上，通过与图 形加速卡发生交互， 给三维可视化应用程序提供了高性 能的空间数据组织能力、 管理能力以及其它特性。 系统设计与实现 面向海洋环境仿真
9、的应用需求，基于 开发库进行 图 2基于 OSG 的海洋环境虚拟仿真平台系统框架图 了二次开发，初步实现了海洋环境虚拟仿真平台。在此平台 上， 可以快速构建虚拟海洋环境，实现虚拟场景下的海洋环 境要素显示和操控， 提供方便 、 快捷的交互界面和互操作功 能。作为一个虚拟现实仿真平台，要求其既能实现基本的虚 拟现实系统的浏览、 漫游等操作功能， 又能提供高逼真、 高性 能、 高交互的模拟仿真功能，并根据需要实现与数据库的互 联， 便捷、 高效地查询显示仿真环境的各类属性信息 。 从软件的总体功能考虑， 为方便实现虚拟仿真平台与用 户之间的交互操作， 在 的基础上，基于 框架类库来 实现交互操作界
10、面。 对窗口 、 视口 、 渲染上下文等界面对象进 行构建，导入基础地理信息作为仿真背景环境模型，通过添 加和删除对象、 设置对象的属性、 加载对象等操作完成海洋 环境要素的仿真和模拟， 以仿真管理器为仿真过程的执行部 分， 通过不同的视口、 投影，对海洋环境信息进行多角度、 直 观的展示 。 基于虚拟现实平台的功能设计和海洋环境数据组织研 究， 采用 开发语言， 调用 图形开发库， 对海 洋环境虚拟现实可视化平台进行了初步开发和实现，如图 所示 。该系统基于三维数字球体模型，对大气 、 洋流 、 海浪等 海洋环境信息产品进行直观的表达和交互浏览。 三维数字球体模型 要对全球范围内的数据进行一
11、个直观、 快速 、 高效的三 维可视化展示， 数字球体模型无疑是最好的选择，如图 所 示。数字地球的（） 坐标系 统可以很好地与现实的卫星图片相结合，能够把已知坐标的 数值预报数据 、 卫星图片数据等实时动态地添加到球体模型 蔡夕方 ， 等： 基于OSG的海洋环境虚拟仿真平台设计与实现第4期 21 洋 第32卷 海技术 上。同时， 等通用地理信息系统软件支持的数据格式 也可以在该数字地球上予以添加，增强表达效果 。 图3海洋环境虚拟现实仿真平台界面 控件对象的交互操作 对三维模型浏览， 需要设计自主风格的浏览器，并提供 多种浏览模式 。在虚拟现实平台的视口中， 通过对相机的矩 阵变换，可以实现
12、海洋环境空间对象的交互操作，如前进 、 后 退、 左右平移等 。内部具体实现可以通过两种方式实现模型 的浏览：通过与坐标矩阵相乘， 改变模型的坐标位置， 从而达 到改变物体在窗口中的位置，这种方式不但可以改变整体模 型， 同时可控制局部模型； 也可以通过反方向改变相机坐标， 实现整个模型的统一位置移动。 动画实现 对于加载的模型， 在指定的线路上， 通过不同帧中模型 位置的移动来实现动画功能 ， 技术流程如图所示 。基于 开发库，将编辑过的运动路径保存在路径链表中，遍历 路径链表中的数据能够获得路径的节点信息，通过节点信息 对相机的位置进行操作，达到视点相机的动态移动，进而实 现虚拟现实环境下
13、的海洋环境要素的动态表达。 图 4路径动画实现技术流程 基于三维球体的风浪流数据显示 在建立的基础场景三维球体模型的基础上，对大范围的 海洋环境数据产品进行显示，通过研究 中的数据 格式， 编辑文件，实现在三维球体上宏观展示海洋环境 信息 。以海洋环境数值产品盐温度场信息产品显示为例：将 包含经纬度信息、 数据格式信息、 数据内容信息的自描述格 式 文件投影到三维球体上显示，需要先分析读取 文件，将不同坐标网格 （如经纬网格 、 三极网格 ） 数据，转 换成具有相应球面坐标的格式后，再加载到三维 球体上进行展示， 如图 所示 。 （ ）海水 、 海面动态真实模拟。目前大多数海洋环境三 维可视化
14、系统没有实现对海水、 海面的渲染， 因此利用 库实现海面光照与海水流动效果模拟。在海洋表面颜色和明 暗度表现上能够生成具有一定真实感的画面，从而达到模拟 真实海水的视觉效果。 （ ）海底 数据支持 。 虽然 和 能 够支持海洋海底，但是国内的其它平台还不能支持水 下地形的三维显示， 利用 库对海底地形起伏进行渲染， 与卫星遥感影像数据相结合，可实现海平面 、 海底 、 陆地等适 应性数据的无缝贴合， 实现对全球海底三维地形的可视化浏 （）水上水下三维渲染 （ ）数值产品展示 （）垂向断面显示 （ ）三维体积云 图 5仿真平台效果展示 22 Design and Implementation o
15、f a Virtual Simulation Platform for the Marine Environment Based on OSG CAI Xi-fang 1, ZHANG Zhi-yuan1, LI Xian-feng1, SU Tian-yun2 (1.Navy Marine Hydro-Meteorological Center, Beijing 100161, China; 2.First Institute of Oceanography,SOA, Qingdao 266061, ShandongProvince, China) Abstract：On the basis
16、 of analyzing the developmentand current key technologies of digital oceanic three-dimensional visualization, in-depthstudy was conducted on the building and rendering mechanismof the simulation platform of the Open Scene Graph (OSG) three-dimensional visualization engine, so as to establish a reaso
17、nableand efficient virtual simulation and visualization model for the marine environment. The three-dimensional spherevisualization framework system was establishedbased on the OSG Visualization Engineering, with a virtual simulation platform for the marine environmentpreliminarily designedand imple
18、mented. Key words：the marine environment; OSG;virtual simulation; three-dimensional spherevisualization 参考文献： 上官伟，郝艳玲，卢志忠，等 真实海洋环境视景仿真技术研究系统仿真学报，（）： 王锐，钱学雷 三维渲染引擎设计与实践北京：清华大学出版社，： ：， 闫晓东基于 的飞行视景仿真平台开发系统仿真学报，（）： 温转萍， 申闫春基于 的虚拟校园漫游系统的设计与实现计算机技术与发展，（）， 辛佳佳基于 的海洋环境建模与仿真技术研究烟台：烟台大学， 李新放基于 的海洋环境三维可视化系统研究青
19、岛：国家海洋局第一海洋研究所， 览展示 。 （ ）海洋数据综合性表达。海洋研究中的主要对象 水体温度 、 盐度等物理特性及其形成是呈三维分布的，而且 通常是在垂直方向采样数据。目前缺少能够有效表达具有纵 深信息的三维可视化系统，没有垂向断面或剖面信息，就无 法准确判断海洋信息的空间特征，从而导致 强大的空间 分析功能无法在海洋领域得到充分应用。基于上述考虑， 实 现了直观 、 全面 、 准确地反映海洋数据的空间位置，用户可以 从不同角度 、 不同方位 、 不同距离查看和操作多维海洋数据。 总结 海洋环境纷繁复杂， 海洋环境可视化设计的相关技术领 域众多，该文主要从开源三维引擎应用的角度出发，研究了 海洋环境的三维可视化及相关技术方法应用。 利用三维渲染 引擎工具 初步实现了海洋环境虚拟现实场景和交互界 面的快速搭建 、 模型加载和管理、 路径的动态存储与关联等 功能，实现了海洋环境各类信息数据的多时间、 多空间尺度 的三维可视化展示及分析应用，对未来海洋环境虚拟现实仿 真平台的实现进行了一次初步应用探索。 今后将针对应用中 存在的问题和升级需求对系统进行不断的更新和完善。 蔡夕方 ， 等： 基于OSG的海洋环境虚拟仿真平台设计与实现第4期 23